專利名稱：一種表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離子體學(xué)、偏振光學(xué)領(lǐng)域，尤其是納米量級(jí)光電子回路器件技 術(shù)。
背景技術(shù)：
目前隨著各種信息業(yè)務(wù)的需求增長(zhǎng)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)迫切需要高速率和大容量技術(shù) 的支撐。在以后高達(dá)數(shù)百(Λ/s乃至Tb/s的傳輸速度情況下，電子回路遇到了重大的瓶頸， 除了集成工藝和高速電子信號(hào)處理的局限性外，速率越高，串?dāng)_越嚴(yán)重，而且功耗越大。對(duì) 此，集成光子學(xué)的出現(xiàn)有效地解決了處理速度和能耗的挑戰(zhàn)，符合國(guó)家目前提倡的節(jié)能與 環(huán)保創(chuàng)新戰(zhàn)略。但是由于目前的網(wǎng)絡(luò)光電并存，兩者的融合成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。表面等 離子體激元(SPPs)的誕生可為電路與光路架設(shè)一座有效的橋梁，解決了電子/光子元器件 與回路尺寸差異的問(wèn)題，將兩者集成在一個(gè)納米尺度的回路上?；赟PI^s的微納集成光子回路將成為實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，那么光的偏振 態(tài)特性顯得尤為重要。偏振是光波最基本的特性，在目前的光纖通信系統(tǒng)中是最重要的性 能指標(biāo)之一，因此必須解決光信號(hào)傳輸與處理上的偏振問(wèn)題。在SPI^s光子回路中。等離子 體納米器件集成在激光器出射端面，進(jìn)而產(chǎn)生SPI^s在端面?zhèn)鬏?，通過(guò)對(duì)端面納米結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)，可以產(chǎn)生所需的偏振態(tài)光。從應(yīng)用層面上講，回路除了用于高速互聯(lián)與通信外，還可以 用于微波光子、生物分析檢測(cè)和精密控制等，在軍事、交通、醫(yī)療等方面都具有巨大的實(shí)用 價(jià)值在通信系統(tǒng)中兩束正交的電磁波能使信號(hào)的傳輸率翻倍；利用對(duì)左旋和右旋圓偏振 光吸收率的差別可檢測(cè)具有對(duì)映異構(gòu)體特性的化學(xué)分子或生物大分子等等。對(duì)于基于SPI^s的偏振控制的研究，大部分研究都集中于基于金屬光柵結(jié)構(gòu)，利用 光柵的透射或者反射來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出偏振態(tài)的控制。但以上兩種方案都有各自的局限性，利用 光柵的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出偏振態(tài)控制的方案的反射光譜寬度有一定的限制；而利用透射實(shí)現(xiàn) 輸出偏振態(tài)控制的方案的透射率比較小。本發(fā)明給出了一種高透射率的等離子體輸出偏振 態(tài)的控制方案。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明旨在提供一種等離子體輸出偏振態(tài)的控 制方案，在保證對(duì)輸出偏振態(tài)控制的基礎(chǔ)上增強(qiáng)透射光強(qiáng)，并且通過(guò)封裝加工后可以通過(guò) 旋轉(zhuǎn)件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)偏振光學(xué)中雙折射晶體的作用。本發(fā)明的目的通過(guò)如下手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法，表面等離子體的金屬結(jié)構(gòu)采用周期性矩形 光柵結(jié)構(gòu)，使入射光的偏振態(tài)分解為垂直兩個(gè)方向上偏振分量；通過(guò)兩個(gè)方向非對(duì)稱的矩 形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的控制，以實(shí)現(xiàn)在輸入態(tài)為線偏振態(tài)時(shí)輸出態(tài)為圓偏振。本發(fā)明表面等離子的金屬結(jié)構(gòu)是采用一種新型的周期性矩形結(jié)構(gòu)。對(duì)二維的周期 光柵結(jié)構(gòu)，表面等離子體的激發(fā)和入射光的偏振態(tài)和光柵結(jié)構(gòu)有關(guān)系。通過(guò)雙折射振動(dòng)理論，投射光的偏振方向如果平行于金屬的方向，這時(shí)的就相當(dāng)于入射到平面金屬中，大部分 的能量將會(huì)反射；如果入射光的偏振方向與光柵結(jié)構(gòu)垂直，入射光的強(qiáng)度和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射 的強(qiáng)度，大部分就會(huì)透過(guò)金屬結(jié)構(gòu)。矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)變換光柵的周期、占空比和槽深來(lái)控 制單方向的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)投射光輸出偏振態(tài)控制。這里提出的周期性矩形結(jié)構(gòu)相當(dāng)于垂直兩個(gè)方向上的光柵結(jié)構(gòu)。對(duì)于入射光的偏 振態(tài)也可分解為垂直兩個(gè)方向上偏振分量，與矩形的兩個(gè)方向相對(duì)應(yīng)。兩個(gè)方向上非對(duì)稱 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振態(tài)的不同的調(diào)制，由于結(jié)構(gòu)不同，兩個(gè)方向上的偏振態(tài)會(huì)產(chǎn)生不同 的透射率和相位變化，在輸出端可以控制輸出偏振態(tài)合成輸出。經(jīng)過(guò)上述的新型結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)將二維光柵擴(kuò)展到三維的矩形 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振態(tài)兩個(gè)分量的控制輸出，增加了透射光強(qiáng)；而且該結(jié)構(gòu)有類似經(jīng)典偏振光 學(xué)中雙折射晶體同樣的原理，通過(guò)加工封裝后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)封裝后器件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入偏振態(tài)在 兩個(gè)方向上的分量大小，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出偏振態(tài)的控制。


如下
圖1.本發(fā)明方案的結(jié)構(gòu)框圖。圖2. (a)結(jié)構(gòu)的俯視圖；(b)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)控制框圖。圖3.在入射波長(zhǎng)為550nm，周期為120nm時(shí)，二維周期光柵結(jié)構(gòu)的透射率隨結(jié)構(gòu) 占空比變化的規(guī)律圖。圖4.在入射波長(zhǎng)為550nm，周期為120nm時(shí)，三維周期光柵結(jié)構(gòu)下，確定χ方向上 的占空比為60%，透射率隨y方向上占空比變化的規(guī)律圖。圖5.在周期為120nm時(shí)，χ方向上的占空比為60%，y方向的占空比為90%。周期 性矩形結(jié)構(gòu)的透射率光譜。圖6.在周期為120nm時(shí)，χ方向上的占空比為60%，y方向的占空比為90%，控制 輸出偏振態(tài)為圓偏振光。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明方案由一個(gè)周期型的矩形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，單個(gè)周期內(nèi)的矩形的結(jié) 構(gòu)可以隨著設(shè)計(jì)的需求而更改，而且也可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)控制輸出偏振態(tài)。對(duì)于單個(gè)方向的光柵結(jié)構(gòu)，透射光可以看作表面等離子體的后向信號(hào)和洛侖茲振 蕩的相干疊加。對(duì)于透射光的偏振態(tài)，采用Jones矩陣可以表示為
(Τ(Φ) 0、
U rj(1)
其中
Bs￥
Τ(φ) = Α+--(2)
ω- ￠2 +iy
J和5分別表示后向信號(hào)和振蕩信號(hào)的幅值f表示該兩個(gè)信號(hào)光的相位差，螂為振 蕩信號(hào)頻率，7為阻尼常數(shù)。對(duì)于本方案提出的矩形結(jié)構(gòu)，入射線偏振光到達(dá)金屬結(jié)構(gòu)后，可以分解為兩個(gè)方幅度比
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法，表面等離子體的金屬結(jié)構(gòu)采用周期性矩 形光柵結(jié)構(gòu)，使入射光的偏振態(tài)分解為垂直兩個(gè)方向上偏振分量；通過(guò)兩個(gè)方向非對(duì)稱的 矩形光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的控制，以實(shí)現(xiàn)在輸入態(tài)為線偏振態(tài)時(shí)輸出態(tài)為圓偏 振。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法，其特征在于，所述矩 形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用變換光柵的周期、占空比和槽深來(lái)控制單方向的偏振態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述之表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法，其特征在于，所述結(jié) 構(gòu)經(jīng)加工封裝，通過(guò)旋轉(zhuǎn)封裝后器件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入偏振態(tài)在兩個(gè)方向上的分量大小，最終實(shí) 現(xiàn)對(duì)輸出偏振態(tài)的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種表面等離子體輸出偏振態(tài)的控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型的周期矩形結(jié)構(gòu)對(duì)輸入偏振態(tài)兩個(gè)分量實(shí)現(xiàn)不同控制，對(duì)兩個(gè)方向不同的光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制輸出偏振態(tài)。而且本發(fā)明通過(guò)封裝加工后，在輸入偏振態(tài)任意的情況下通過(guò)對(duì)器件的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出偏振態(tài)的控制?？梢栽谳斎肴我饩€偏振時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出態(tài)為圓偏振。在納米量級(jí)光子回路中有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102103268SQ20111003150
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者商科峰, 李慧, 溫坤華, 潘煒, 羅斌, 郭振, 閆連山, 陳娟 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)